特变电工研究团队：用于新能源送出的M3C工频电网故障穿越方法研究

在《电气传动》已发表的文章中，小编整理了其中一篇，供大家学习阅读，以下是此次推文的主干内容，详情请见《电气传动》2024年第54卷第9期，欢迎持续关注。

董钺，何迎飞，杜路路

汤明杰，靳广超，赵儆

特变电工科技投资有限公司

特变电工西安柔性输配电有限公司

摘要：模块化多电平矩阵式变换器（M3C）是一种可实现不同频率电能直接交-交变换的新型拓扑，适用于高压大容量场合。在分频输电系统中，为实现M3C工频故障可靠穿越，提出完整的故障穿越流程。首先对工频侧和分频侧电压不对称时M3C在双α-β 坐标系下的桥臂功率状态方程进行推导，然后提出根据各子模块电压平均值在分频侧投入卸荷电阻的策略来消耗低频侧的过剩功率，并根据电网电压正序分量的跌落程度和负序分量输出对应的正序和负序无功电流。此外，当电网电压正序分量过低时，将对角均压从工频侧切换至分频侧，在故障穿越过程中保证各桥臂子模块电压之间的均衡。最后，在Matlab/Simulink仿真平台上，对3.3 kV/3.3 kV/3 MV·A M3C工程样机工频故障穿越方法的有效性进行了验证。

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特变电工组建了以国家千人计划专家为带头人、10年以上电力电子资深专家为骨干的100多人的柔性直流输电技术团队，持续专注柔性直流输电领域的研发与产业化落地工作。针对柔性直流输电应用于高压、大容量、远距离、架空线的应用需求，提出了新一代无闭锁架空柔性直流输电技术，系统地解决了柔性直流输电应用于架空直流输电线路存在的行业共性难题，研制成功了业内首套柔性直流输电装备、常规直流-柔性直流混合直流输电装备等多个重大装备。2020年，成功研制了世界首台套±400kV三相柔性直流变压器，将在三峡如东海上风电工程开展示范应用；与南方电网合作开发研制成功了世界首台套±800kV /5000MW特高压柔性直流输电换流阀，首次将柔性直流输电技术由超高压提升至特高压电压等级，开创了基于架空线的特高压柔性直流输电工程应用新局面，获得了南网、国网、各高校有关专家的高度认可，为进一步实现柔性直流输电领域由研发到产业化落地奠定了基础。2021年，承接国家电网《新能源分频发电与送出关键技术研究及实证》项目中M3C工程样机的研发与制造工作，2022年6月完成半实物仿真和样机厂内全功率测试，8月份完成专家鉴证，已运输至中国电科院张北基地，具备示范运行的条件。

M3C工程样机的成功研制与示范运行，为分频输电技术的基础理论提供了设备实证检验。同时，依托中国电科院张北试验基地，建设以M3C为核心变频装置、包括风电和光伏在内的分频输电系统，为新能源分频发电和送出系统中各项关键技术的实证提供了坚实的基础，也为新能源分频发电与变频装置之间的协调控制与稳定性研究、以及后续的工程化应用提供了技术支撑。

1 M3C控制结构

1.1 M3C 数学模型

M3C的拓扑结构如图2所示。在新能源送出的分频系统中，M3C分频侧需要为风电、光伏等并网变流器提供电压支撑、作为电压源运行，因此在分频出口处并联RC滤波支路；工频侧作为并网电流源并入工频电网。M3C的状态方程如下式所示：

式中：i_xy（x=u，v，w 代表工频侧；y=a，b，c 代表分频侧）为桥臂电流；u_xy为桥臂电压；e_x为工频相电压；e_y为分频相电压；u_ON为分频侧中性点和工频侧中性点之间的电压；U_xy为桥臂子模块电容电压平均值；P_xy为桥臂功率；u_Cfy为分频侧滤波电容电压；i_fy为分频侧电流；L 为桥臂电感；C 为子模块直流电容；C_f为分频滤波电容。

1.2 M3C 工频-分频解耦控制策略

由于M3C的工频和分频分量直接耦合，结构和运行特性较为复杂，已有文献提出各种解耦控制方法和分层电容电压均衡策略^[12-18]。较为典型且逻辑清晰的方法^[12]是对9个桥臂电流i_xy分别在工频和分频相角下先做dq 变换，再做αβ 变换；对9个桥臂子模块电压做双αβ 变换，实现工频侧和分频侧的解耦。工频侧采用子模块电容电压平均值-无功功率控制，分频侧采用交流输出电压控制。

同时，还要对各子模块电容电压进行分层均衡控制。第1层，实现工频3个子换流器之间（分别为ua/va/wa 3个桥臂组成的子换流器A，ub/vb/wb 3个桥臂组成的子换流器B和uc/vc/wc 3个桥臂组成的子换流器C）的垂直均压和分频3个子换流器之间（分别为ua/ub/uc 3个桥臂组成的子换流器U，va/vb/vc 3个桥臂组成的子换流器V和wa/wb/wc 3个桥臂组成的子换流器W）的水平均压；第2层，实现同一子换流器3个桥臂之间的对角均压；第3层，实现同一桥臂内各子模块之间的均压。

由于M3C通常是先工频侧启动，并入工频电网，建立并稳定各子模块电压，此时M3C相当于3个工频静止无功发生器（static var generator，SVG），需要实现工频3个子换流器之间、同一子换流器内3个桥臂之间的均衡控制，因此垂直和对角均压通常在工频侧实现；而后，启动分频侧，输出分频侧电压，为分频侧并网变流器提供基准电压源，此时还需要做分频侧3个子换流器的均衡控制，因此水平均压通常在分频侧实现。具体的控制结构^[12]如图3~图6所示。

2 卸荷电阻设计

2.1 卸荷电阻拓扑结构

卸荷电阻通常有3种安装方式：1）装在工频侧，在发生工频故障时，卸荷能力受到严重削弱，起不到预期的作用；2）装在M3C各子模块上，需要在设计子模块结构时就加以考虑，并加装相应的功率开关、续流二极管和驱动电源；3）装在分频侧，可以不影响M3C子模块的结构设计，用于海上风电场时，与变频站并列建在陆地上，不会对海上平台造成影响。因此，为保证M3C在工频电网故障时的卸荷能力（分频侧故障时，分频侧风电/光伏变流器自动进入故障穿越模式，无需M3C卸荷），文章采用将卸荷电阻装在M3C分频侧的结构，将其作为工频电网故障时的耗能支路。

考虑简化电路和控制结构，采用整流桥+直流侧电阻串联功率开关的结构。以3.3 kV/3.3 kV/3 MV·A的M3C工程样机为例，整流桥直流电压为1.35~1.414倍的线电压有效值（即4 455~4 666 V），取平均值4 560 V；按低频侧为额定功率（3 MW）时工频电压跌至零的最极端情况考虑，则卸荷电阻R=4 560²/3 000 000=6.93 Ω，考虑整流滤波电感压降和必要的调节裕度，电阻值取5 Ω。

卸荷部分拓扑结构如图7所示。考虑实际器件的选型，整流桥二极管可采用1 200 V器件串联，直流侧与卸荷电阻串联的功率开关可采用M3C相同子模块级联的方式实现。

2.2 卸荷电阻控制策略

工频电网发生故障后，分频侧过剩的功率使M3C各子模块电压升高，当各子模块电压平均值超过1.1（标幺值）后，投入卸荷电阻，将子模块电容电压平均值控制环转移至卸荷电阻控制器，通过调节卸荷装置功率模块的脉宽实现对分频侧功率的跟踪，稳定各子模块电容电压。卸荷电阻控制结构如图8所示。

3 工频故障时的M3C均衡控制策略

工频电网有可能发生不对称故障，按相关标准[19]，在故障穿越期间，M3C需要根据负序电压输出负序无功电流，因此需要在式（1）~式（3）中子模块电压状态方程基础上，推导工频电网电压不对称情况下的数学模型。

为全面考虑，假定工频侧电网和分频侧电压同时存在正序和负序分量，工频网侧和分频侧电流也同时存在正序和负序分量，假设工频侧三相电网电压为

式中：E_u，E_v，E_w分别为工频三相电网电压；E_ms，E_msN分别为电网电压正序和负序分量幅值；ω_s为工频角频率；φ_s，φ_sN分别为电网电压正序和负序分量相角。

9个桥臂电流的工频分量为

式中：I_xys为9个桥臂电流的工频分量；I_msy，I_msyN分别为接至分频a，b，c 相的三个桥臂电流的工频正序、负序电流分量幅值；φ_iy，φ_iyN 分别为接至分频a，b，c 相的三个桥臂电流的工频正序、负序电流分量相角。

分频分量为

式中：I_xyf 为9个桥臂电流的分频分量；I_mfx，I_mfxN 分别为接至工频u，v，w 相的三个桥臂电流的分频正序、负序电流分量幅值；φ_ix，φ_ixN 分别为接至工频u，v，w 相的三个桥臂电流的分频正序、负序电流分量相角。

分频侧三相电压为

式中：E_a，E_b，E_c分别为分频三相电压；E_mf，E_mfN分别为分频电压正序和负序分量幅值；ω_f为分频角频率；φ_f，φ_fN分别为分频电压正序和负序分量相角。

桥臂各子模块直流侧和交流侧的能量偏差通过各子模块电容缓冲，因此9个桥臂的功率为

式中：^-U 为子模块电容电压稳态平均值；C 为子模块电容值。

将式（4）~式（7）代入式（8），并去掉交流项，可得各桥臂的平均功率为

对式（8）中各桥臂子模块电容电压微分项矩阵和式（9）做双αβ 变换，即

式中：U_αα，U_βα，U_αβ，U_ββ 为各桥臂子模块电容电压的对角分量；U_0α，U_0β为各桥臂子模块电容电压的垂直分量；U_α0，U_β0为各桥臂子模块电容电压的水平分量；U₀₀ 为各桥臂子模块电容电压的零序分量；^-P_αα，^-P_βα，^-P_αβ，^-P_ββ为各桥臂平均功率的对角分量；^-P_0α，-P_0β为各桥臂平均功率的垂直分量；^-P_α0，^-P_β0为各桥臂平均功率的水平分量；^-P₀₀ 为各桥臂平均功率的零序分量。

将式（10）中交流功率矩阵各元素进行变换，可得^-P_αβ0的表达式为

式中：I_dαs，I_dβs，I_d0s为工频3个子换流器在正序电压角度下正序d 轴电流的α，β，0轴分量；I_dαsN，I_dβsN，I_d0sN为工频3个子换流器在正序电压角度下负序d轴电流的α，β，0轴分量；I_qαsN，I_qβsN，I_q0sN为工频3个子换流器在正序电压角度下负序q 轴电流的α，β，0轴分量；I_NdαsN，I_NdβsN，I_Nd0sN为工频3个子换流器在负序电压角度下负序d 轴电流的α，β，0 轴分量；I_Ndαs，I_Ndβs，I_Nd0s为工频3个子换流器在负序电压角度下正序d 轴电流的α，β，0轴分量；I_Nqαs，I_Nqβs，I_Nq0s为工频3个子换流器在负序电压角度下正序q轴电流的α，β，0轴分量；I_dαf，I_dβf，I_d0f为分频3个子换流器在正序电压角度下正序d 轴电流的α，β，0轴分量；I_dαfN，I_dβfN，I_d0fN为分频3个子换流器在正序电压角度下负序d 轴电流的α，β，0轴分量；I_qαfN，I_qβfN，I_q0fN 为分频3个子换流器在正序电压角度下负序q 轴电流的α，β，0轴分量；INdαfN，INdβfN，INd0fN为分频3个子换流器在负序电压角度下负序d 轴电流的α，β，0轴分量；I_Ndαf，I_Ndβf，I_Nd0f为分频3个子换流器在负序电压角度下正序d 轴电流的α，β，0轴分量；I_Nqαf，I_Nqβf，I_Nq0f为分频3个子换流器在负序电压角度下正序q 轴电流的α，β，0轴分量。

由式（11）可见，M3C垂直（对应^-P_0α，^-P_0β）、水平（对应^-P_α0，^-P_β0）和对角（对应^-P_αα，^-P_βα，^-P_αβ，^-P_ββ）均压控制，都可以在工频、分频不同电压分量下分别通过控制不同的电流分量实现。

当工频侧故障时，工频电压正序分量会大幅降低，有可能出现负序分量；而采用图3所示的控制结构，可以实现工频侧和分频侧控制的解耦，分频电压正序分量基本不受影响、负序分量基本保持为零。如式（11）所示，工频侧垂直和对角均压的均衡控制功率与工频电压正序分量成正比，在工频正序电网电压跌落深度较大时，会影响均压效果，造成均衡控制电流增大，增加功率器件的损耗。因此在工频故障穿越过程中，当工频正序电压小于0.5（标幺值）时，为保证各子模块电容电压的均衡控制效果，尽量减小均衡控制产生的桥臂负序电流，将对角均压控制环节切换至分频侧；同时，如式（11）所示，若垂直均压也切换至分频侧，需要调节分频侧三个子换流器的负序电流的零序分量，即向分频侧系统中注入负序电流，在分频侧接入新能源机组的工况下难以实现（与并网变流器负序电流控制相冲突），因此仍将垂直均压保持在工频侧实现。

由式（11）可知，采用分频正序电压实现对角均压控制，调制信号也为分频负序，其中dα，dβ 分量叠加在水平均压的电流给定上，是分频侧三个子换流器内部各自的负序分量。对角均压和原有水平均压调制信号叠加，如图9所示。

4 工频故障时的M3C故障穿越策略

M3C工频故障穿越策略流程如图10所示。

4.1 低电压穿越

工频电网发生对称跌落时，M3C根据电网电压跌落深度输出感性无功，输出无功电流的要求如下式所示：

式中：U_m为电网电压标幺值，取U_m≤0.9（风电并网标准，U_m≥0.2；光伏或储能标准要求零穿，U_m≥0）；K₁为无功电流系数，取1.5~3；I_N为并网变流器的额定电流。

按风电并网标准[19]，电网发生不对称跌落时，M3C根据电网电压正序分量的跌落程度输出正序感性无功，根据电网电压负序分量输出负序容性无功，抑制负序电压的升高，输出无功电流的要求如下式所示：

式中：U_mp为电网电压正序分量标幺值；U_mn为电网电压负序分量标幺值；K_2p为正序无功电流系数，K_2p≥1；K_2n为负序无功电流系数，K_2n≥1。

在低电压穿越期间，使能卸荷电阻控制器，子模块电容电压平均值控制转移至卸荷电阻控制器，分频侧电能通过卸荷电阻消耗，稳定子模块电容电压。工频侧控制器不再控制各子模块电容平均电压值，工频有功电流给定为零；同时，根据式（12）和式（13），工频低电压穿越期间根据电网电压跌落情况，输出相应的无功电流。在故障穿越期间，工频电网电压正序分量低于0.5（标幺值）时，对角均压控制通过软切环节从工频侧切换至分频侧；故障恢复后，重新软切回工频侧，避免电流冲击。

4.2 高电压穿越

工频电网发生过电压（对称）时，根据电网电压输出容性无功，输出无功电流的要求如下：

式中：K₃为无功电流系数，大于1.5。高、低电压穿越的控制结构在图3~图6的基础上增加的部分如图11、图12所示。

对比图3，图11增加了各桥臂电流工频负序（dq-序）桥变换。图12中增加的图12b、图12c控制结构都是为输出标准要求的工频负序无功电流，图12a控制结构为输出标准要求的工频正序无功电流且保证正序有功电流为零。图12中的LVR为工频低电压穿越标志位，HVR为工频高电压穿越标志位。

5 仿真验证与分析

M3C样机各参数为：额定容量3 MV·A，工频额定电压3.3 kV，工频额定频率50 Hz，分频额定电压3.3 kV，分频额定频率50/3 Hz，功率因数-0.9~0.9，模块电容电压0.97 kV，桥臂子模块数7，子模块电容值8.1 mF，支路电感值7 mH，分频滤波电容值100 μF。

该工程样机应用于中国电科院张北基地分频系统，系统中变频装置除M3C外，还有一台倍频变压器，其分频侧频率只能固定为电网频率的1/3。M3C需要和倍频变压器并列运行，故分频额定频率亦为50/3 Hz。

图13 为M3C 仿真系统示意图。图13 中，M3C分频侧和工频侧分别通过3.3 kV/35 kV变压器接入分频和工频电网，分频侧采用3 MW受控并网电流源模拟分频风电/光伏的电能输入。在工频35 kV侧用电抗分压模拟低电压故障，用电抗与阻容分压模拟高电压故障。卸荷电阻结构见图7、图8。

5.1 低电压穿越

工频35 kV侧三相电网电压对称跌落至0.2（标幺值）的仿真波形（故障前分频侧为额定功率输入）如图14~图16所示，2 s—3 s为故障期间。

由图16可见，采用本文所述控制方法，在工频对称故障期间，分频侧电压保持不变，分频侧新能源机组功率在卸荷电阻上消耗，且能维持各桥臂子模块电容电压均衡。由图14c可见，桥臂电流在故障期间，主要是工频分量，分频分量极小，只是分频侧RC回路的电流。另外，图15b和图15c分别为工频侧3个子换流器和分频侧3个子换流器子模块电容电压之和，工频侧3个子换流器子模块电容电压求和后，只存在二倍分频分量；分频侧3个子换流器子模块电容电压求和后，只存在二倍工频分量，子模块电容电压波动幅值与频率成反比，因此工频侧3个子换流器子模块电容电压平均值的波动幅值为分频侧3个子换流器子模块电容电压平均值的3倍。

工频35 kV 侧u 相电网电压对称跌落至0.2（标幺值）的仿真波形（故障前分频侧为额定功率输入）如图17~图20所示。

由图17b和图18c可见，当工频电网发生单相故障时，按相关标准^[19]要求，向电网发负序容性无功电流。由图19b和图19c可见，由于单相故障时，正序分量跌落程度小于三相故障，因此工频侧和分频侧3个子换流器的子模块电容电压均衡（垂直均压和水平均压）效果要比三相故障时更好。此外，尽管工频侧输出负序无功电流，工频侧和分频侧3个子换流器子模块电容电压均衡以及低频侧电压未受影响。

5.2 高电压穿越

工频35 kV侧三相电网电压对称升高至1.3（标幺值）的仿真波形如图21~图22所示。

由图21 和图22 可见，在高电压穿越期间，M3C除输出容性无功外，正常输出有功功率，各子模块电压除暂态波动之外，稳态时无变化。

文章对用于新能源送出的M3C工频故障穿越方法进行研究，给出在工频侧和分频侧电压不对称情况下M3C的数学模型，将卸荷电阻及相应的变换器装置安装在分频侧，在工频侧电网发生对称和不对称故障时，根据M3C各子模块电压平均值在分频侧投入卸荷电阻，根据电网电压正序分量的跌落程度和负序分量输出对应的正序感性和负序容性无功电流。低电压穿越时，若电网电压正序分量过低，将对角均压从工频侧切换至分频侧。高电压穿越时，根据相关标准输出容性无功即可。最后，给出了M3C工频故障穿越完整的流程，并针对3.3 kV/3.3 kV/3 MV·A M3C 工程样机进行了仿真，验证了本文所提方法的有效性。